JP2023532329A

JP2023532329A - 多自由度飛行モードを有するドローン

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Publication number: JP2023532329A
Application number: JP2022581429A
Authority: JP
Inventors: サンヒョンイ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2023-07-27
Also published as: EP4173950A4; EP4173950A1; KR102331583B1; WO2022004965A1; US20230234727A1; CN115734915A

Abstract

本発明に係る多自由度飛行モードを有するドローンは、バッテリが装着され、前進方向がｘ軸に設定される胴体部と、前記胴体部の周囲に４つ以上配置され、それぞれの回転軸がｚ軸方向に整列されて配置される複数のロータと、前記複数のロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせるように形成されるｘ軸ティルト機構部と、前記複数のロータをｙ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせるように形成されるｙ軸ティルト機構部と、前記ｙ軸ティルト機構部を駆動するための第１駆動モータ部と、前記ｘ軸ティルト機構部を駆動するための第２駆動モータ部と、前記第１ロータ、前記第２ロータ、前記第３ロータ、前記第４ロータ、前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部を制御して複数の飛行モードを実現するように形成される制御部とを含んでもよい。

Description

本発明は、多自由度飛行モードを有するドローンに関する。

ドローンと呼ばれるマルチロータ飛行体又はマルチファン飛行体は、一般に３つ以上のロータを有するヘリコプターの一種である。伝統的なシングルロータヘリコプターと比較して、ロータのトルクとスピードを変化させて飛行することが可能であり、メンテナンスと操作が容易であるという利点がある。このような利点及び電子技術の急速な発展により、マルチロータ飛行体の適用領域も急激に広がっている。過去には、主にサイズの大きい軍事用無人飛行体が主流をなしていたが、近年は、小型無人飛行体が民間用に多く製作されている。その活用度も、映像の撮影から品物の輸送に至るまで多様に拡大している。

様々なタイプの小型無人飛行体のうち、特にクワッドロータと呼ばれるマルチロータ飛行体は、他の飛行体に比べて多くの利点を有する。最大の利点は、機械的メカニズムが非常に簡単であるということである。クワッドロータの場合、飛行前にトリムを調整する必要もなく、機械的振動も大きくないだけでなく、疲労による部品破損の確率も低い。また、クワッドロータは、形態が簡単であることから数学的にモデリングしやすいので自動飛行に適し、飛行体を操縦するために多くの時間の訓練が要求される他の小型飛行体とは異なり、初心者も容易に操縦することができる。さらに、小さいプロペラを複数用いるので、操縦や管理が下手な人にとっても相対的に安全である。すなわち、飛行体に関する専門的な知識がないか、事前に多くの訓練をしなくても、誰でもクワッドロータを容易に操縦、メンテナンス、管理することができる。このようなクワッドロータの利点により、民間用の小型無人飛行体の中でもクワッドロータがその影響力を徐々に拡大している。

クワッドロータの制御と誘導については、既に多くの研究者により研究が行われてきた。まず、制御分野において、クワッドロータの非線形モデルの特性を効果的に扱うために、Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ技法又はＳｌｉｄｉｎｇＭｏｄｅ技法により非線形システムを直接制御する試みや、ＦｅｅｄｂａｃｋＬｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎを用いてクワッドロータモデルを線形化した後に制御する試みもあった。また、誘導分野においても、クワッドロータの胴体を一方向に３６０度又はそれ以上回転させるＦｌｉｐ動作を行うか、特定の軌道と姿勢に追従する急激な機動はもとより、ボールを互いに投げ合うなどの精巧な機動も可能になった。

多くの研究者の貢献により、クワッドロータなどのマルチロータ飛行体を精密に制御及び誘導できるようになった現時点であるが、依然として機能的に改善する部分がある。３次元空間上にある飛行体の正確な位置と姿勢が６つの変数により表されるという事実を考えると、結局、マルチロータ飛行体システムは、入力の次元が出力の次元より小さいＵｎｄｅｒＡｃｔｕａｔｅｄシステムとなる。このような事実がマルチロータ飛行体の制御と誘導に制約として作用する。例えば、マルチロータ飛行体を前方に加速させるためには、マルチロータ飛行体を後方に傾けた状態では決して前方への加速度が発生しないので、その本体を必ずしも前方に傾けなければならない。すなわち、マルチロータ飛行体の姿勢と加速度とは完全に独立的であり得ないことを意味する。

よって、マルチロータ飛行体の本体にカメラを取り付けて対象物を撮影する場合、マルチロータ飛行体が方向を転換すると、その本体が共に傾き、カメラの撮影方向が撮影対象物から外れる。また、方向転換時にもマルチロータ飛行体全体が傾くことが要求されるので、応答性が相対的に低いことから急激な機動が容易でない。このような理由で、胴体の角度変化に応じてカメラを保持する別の装置が用いられるが、部品増加及びコスト上昇の原因となり、重量も増加し、バッテリの使用時間を短縮することもある。さらに、このようなカメラ連結装置は、振動に脆弱であるので、別の吸振手段を装着することもあるが、それだけ装置が複雑になるという欠点もある。

韓国公開特許第１０－２０１７－００６１９４１号公報（２０１７年６月７日公開）韓国登録特許第１０－１６９２３１５号公報（２０１６年１２月２８日登録）

本発明の目的は、ドローンに安定した多自由度を持たせることにより、様々な飛行モードを実現でき、カメラの設置のための別の装置を設置することなく振れのない状態を維持できるようにすることにある。

本発明に係るドローンは、バッテリが装着され、前進方向がｘ軸に設定される胴体部と、それぞれの回転軸がｚ軸方向に整列されており、前記ｘ軸方向から見たとき、第１位置で前記胴体部を中心に対向して配置される第１ロータ及び第２ロータと、それぞれの回転軸が前記ｚ軸方向に整列されており、前記ｘ軸方向から見たとき、前記胴体部の第２位置でｙ軸方向に対向して配置される第３ロータ及び第４ロータと、前記第１位置で前記ｙ軸に平行なｙ１軸を中心に回転可能に前記胴体部に支持され、両端部で前記ｘ軸に平行なそれぞれの支持軸により前記第１ロータ及び前記第２ロータを支持する第１フレームシャフトと、前記第２位置で前記ｙ軸に平行なｙ２軸を中心に回転可能に前記胴体部に支持され、両端部で前記ｘ軸に平行なそれぞれの支持軸により前記第３ロータ及び前記第４ロータを支持する第２フレームシャフトと、複数の第１ロッド部により前記第１フレームシャフトから前記ｚ軸方向に離隔して配置され、前記ｙ軸と平行に作用する力により移動しながら前記第１ロータ及び前記第２ロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせるように形成される第３フレームシャフトと、複数の第２ロッド部により前記第２フレームシャフトから前記ｚ軸方向に離隔して配置され、前記ｙ軸と平行に作用する力により移動しながら前記第３ロータ及び前記第４ロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせるように形成される第４フレームシャフトと、第１変換機構部を介して連結され、前記第３フレームシャフト及び前記第４フレームシャフトに前記ｙ軸に平行な方向の力を供給する第１駆動モータ部と、第２変換機構部を介して連結され、前記第１フレームシャフト及び前記第２フレームシャフトを前記ｙ１軸及び前記ｙ２軸を中心にそれぞれ回転させるように力を供給する第２駆動モータ部と、前記第１ロータ、前記第２ロータ、前記第３ロータ、前記第４ロータ、前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部を制御して複数の飛行モードを実現するように形成される制御部とを含み、前記複数の飛行モードは、前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部を両方とも停止させ、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御する第１飛行モードと、前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部をそれぞれ個別に制御して作動させ、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御する第２飛行モードとを含んでもよい。

本発明に係る一例として、前記第１変換機構部は、前記第１駆動モータ部の駆動力を前記第３フレームシャフト及び前記第４フレームシャフトに同時に伝達するように形成される第１伝達ロッドを含んでもよい。

本発明に係る一例として、前記第２変換機構部は、前記第２駆動モータ部の駆動力を前記第１フレームシャフト及び前記第２フレームシャフトに同時に伝達するように形成される第２伝達ロッドを含んでもよい。

本発明に係る一例として、前記第１飛行モードは、前記胴体部を前記ｘ軸方向に傾けるか又は前記ｙ軸方向に移動させる第１－１飛行モードと、前記胴体部を前記ｙ軸方向に傾けるか又は前記ｘ軸方向に移動させる第１－２飛行モードと、前記胴体部を前記ｚ軸を中心に回転させる第１－３飛行モードと、前記胴体部を前記ｚ軸方向に移動させる第１－４飛行モードとを含んでもよい。

本発明に係る一例として、前記第２飛行モードは、前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせて、前記胴体部を前記ｙ軸方向に移動させる第２－１飛行モードと、前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｙ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせて、前記胴体部を前記ｘ軸方向に移動させる第２－２飛行モードと、前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御して、前記胴体部を前記ｚ軸を中心に回転させる第２－３飛行モードと、前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御して、前記胴体部を前記ｚ軸方向に移動させる第２－４飛行モードと、前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心に回転させて、前記胴体部を前記ｘ軸に対して回転させる第２－５飛行モードと、前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｙ軸に平行なそれぞれの軸を中心に回転させて、前記胴体部を前記ｙ軸に対して回転させる第２－６飛行モードとを含んでもよい。

本発明に係る一例として、前記第２－５飛行モードは、前記第１ロータ～前記第４ロータのそれぞれの回転軸を前記ｚ軸と平行にし、前記胴体部を前記ｘ軸に対して回転させて、地面に対して傾いた状態を維持する姿勢を含んでもよい。

本発明に係る一例として、前記第２－６飛行モードは、前記第１ロータ～前記第４ロータのそれぞれの回転軸を前記ｚ軸と平行にし、前記胴体部を前記ｙ軸に対して回転させて、地面に対して傾いた状態を維持する姿勢を含んでもよい。

また、本発明は、バッテリが装着され、前進方向がｘ軸に設定される胴体部と、前記胴体部の周囲に４つ以上配置され、それぞれの回転軸がｚ軸方向に整列されて配置される複数のロータと、前記複数のロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせるように形成されるｘ軸ティルト機構部と、前記複数のロータをｙ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせるように形成されるｙ軸ティルト機構部と、前記ｙ軸ティルト機構部を駆動するための第１駆動モータ部と、前記ｘ軸ティルト機構部を駆動するための第２駆動モータ部と、前記第１ロータ、前記第２ロータ、前記第３ロータ、前記第４ロータ、前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部を制御して複数の飛行モードを実現するように形成される制御部とを含み、前記複数の飛行モードは、前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部を両方とも停止させ、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御する第１飛行モードと、前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部をそれぞれ個別に制御して作動させ、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御する第２飛行モードとを含む、多自由度飛行モードを有するドローンを提示する。

本発明に係る多自由度飛行モードを有するドローンによれば、複数のロータがｘ軸及びｙ軸を中心にそれぞれ独立してティルトされるように構成することにより、ロータの旋回又は姿勢変更や速度変更時にも、本体は姿勢をそのまま維持するか又は所望の特定姿勢になるように設定することができ、様々な飛行を実現することができる。

本発明に係る一例によれば、複数のロータの速度を個別に制御することにより、４自由度を有する第１飛行モードを実現することができ、複数のロータをｘ軸及びｙ軸方向にティルトさせることにより、６自由度を有する第２飛行モードを実現することができる。

本発明に係る一例によるドローン（１００）の斜視図である。図１のドローン（１００）からハウジング（１１１）を分離した状態を示す斜視図である。図２のドローン（１００）を下方から見た斜視図である。図２の状態で複数のロータがｙ軸を中心にティルトされた様子を示す斜視図である。図２の状態で複数のロータがｘ軸を中心にティルトされた様子を示す斜視図である。図２の状態で複数のロータがｘ軸及びｙ軸を中心にティルトされた様子を示す斜視図である。本発明に係るドローン（２００）の第１飛行モードによる姿勢を示すものであって、ホバリング状態を示す図である。本発明に係るドローン（２００）の第１飛行モードによる姿勢を示すものであって、ｙ軸中心の回転を示す図である。本発明に係るドローン（２００）の第１飛行モードによる姿勢を示すものであって、ドローンの前後（ｘ軸方向）移動を示す図である。本発明に係るドローン（２００）の第１飛行モードによる姿勢を示すものであって、ｘ軸中心の回転を示す図である。本発明に係るドローン（２００）の第１飛行モードによる姿勢を示すものであって、ドローンの左右（ｙ軸方向）移動を示す図である。本発明に係るドローン（２００）の第１飛行モードによる姿勢を示すものであって、ドローンのｚ軸方向移動の概念を示す図である。本発明に係るドローン（２００）の第１飛行モードによる姿勢を示すものであって、ドローンのｚ軸中心の回転を示す図である。本発明に係るドローン（２００）の第２飛行モードによる姿勢のうち第１飛行モードと共通しない姿勢であって、ドローンの前後移動を示す図である。本発明に係るドローン（２００）の第２飛行モードによる姿勢のうち第１飛行モードと共通しない姿勢であって、ドローンの左右移動を示す図である。本発明に係るドローン（２００）の第２飛行モードによる姿勢のうち第１飛行モードと共通しない姿勢であって、胴体部のｘ軸中心の回転を示す図である。本発明に係るドローン（２００）の第２飛行モードによる姿勢のうち第１飛行モードと共通しない姿勢であって、胴体部のｙ軸中心の回転を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る多自由度飛行モードを有するドローンについて詳細に説明する。本明細書においては、異なる実施形態であっても同一又は類似の構成については同一又は類似の符号を付し、その説明については前の説明を援用する。

図１によれば、本発明に係る多自由度飛行モードを有するドローン１００は、中央の胴体部１１０及び、胴体部１１０の周囲に配置された複数のロータ１２１、１２２、１２３、１２４を備えている。ロータ１２１、１２２、１２３、１２４を支持するために、胴体部１１０には、第１フレームシャフト１３１、第２フレームシャフト１３２、第３フレームシャフト１３３及び第４フレームシャフト１３４が設置されている。

説明のために便宜上の座標系を定めると、胴体部１１０は前後方向であるｘ軸方向に置かれており、胴体部１１０の左右方向はｙ軸方向であり、胴体部１１０の上下方向はｚ軸方向である。ロータ１２１、１２２、１２３、１２４は、それぞれの回転軸がｚ軸方向に整列されている。

複数のロータは、胴体部１１０に沿って（ｘ軸方向）複数の位置で対をなして配置されてもよい。図１は、そのような一例として、２対が配置されたものを示す。すなわち、胴体部１１０の後端側に第１ロータ１２１及び第２ロータ１２２が１対をなし、胴体部１１０の前端側に第３ロータ１２３及び第４ロータ１２４が１対をなす。第１ロータ１２１及び第２ロータ１２２は、第１フレームシャフト１３１及び第３フレームシャフト１３３により支持されており、第３ロータ１２３及び第４ロータ１２４は、第２フレームシャフト１３２及び第４フレームシャフト１３４により支持されている。

複数のロータ１２１、１２２、１２３、１２４は、ｘ軸に平行なそれぞれの支持軸１３６、１３７、１３８、１３９により支持されている。支持軸１３６、１３７、１３８、１３９は、各ロータに電源を供給するケーブルの設置空間であると共に、制御によりロータ１２１、１２２、１２３、１２４をティルトさせる一次的な支持点としても機能する。

胴体部１１０は、ハウジング１１１により内部の部品が覆われた形態であってもよい。胴体部１１０の前方には、カメラ１１２が配置されてもよい。図２のように、カメラ１１２は、基板などに直接設置されており、振れを抑制するためのジンバルなどの要素を別途用いていない。これは、後述するように、本発明に係るドローンの構成及び飛行モードにより、カメラ１１２の振れを抑制し、カメラ１１２を正確かつ容易に所望の方向に指向させることに起因する。

図２のように、胴体部１１０には、部品に電源を供給するためのバッテリ１１３が配置される。バッテリ１１３の電源消費を低減し、飛行時間を増加させるために、本発明は、前述したようなジンバル及び追加部品の配置を省略し、それだけ重量を減らした。

複数のロータ１２１、１２２、１２３、１２４を支持するための複数のフレームシャフト１３１、１３２、１３３、１３４は、ロータの「固定」及び「ティルト」がどちらも可能な構造となるように形成される。そのために、一例として、複数のフレームシャフトは、胴体部１１０の後端でｙ軸に平行なｙ１軸を中心に回転可能に胴体部１１０に支持される第１フレームシャフト１３１と、胴体部１１０の前端でｙ軸に平行なｙ２軸を中心に回転可能に胴体部１１０に支持される第２フレームシャフト１３２と、複数の第１ロッド部１４１、１４２により第１フレームシャフト１３１からｚ軸方向に離隔して配置される第３フレームシャフト１３３と、複数の第２ロッド部１４３、１４４により第２フレームシャフト１３２からｚ軸方向に離隔して配置される第４フレームシャフト１３４とを備えている。すなわち、第１フレームシャフト１３１及び第２フレームシャフト１３２は、胴体部１１０に対してｙ軸方向に回転可能に支持されている形態であり、第３フレームシャフト１３３及び第４フレームシャフト１３４は、胴体部１１０に対して固定されているわけではないが、それぞれのロッド部１４１、１４２、１４３、１４４により第１フレームシャフト１３１及び第２フレームシャフト１３２に対して拘束された状態で駆動力により移動する形態である。本例において、第３フレームシャフト１３３及び第４フレームシャフト１３４は、ｙ軸方向に移動し、複数のロータ１２１、１２２、１２３、１２４を一次的に支持する支持軸１３６、１３７、１３８、１３９をｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心に回転させる役割を果たす。

第３フレームシャフト１３３及び第４フレームシャフト１３４の駆動のために第１変換機構部が備えられ、第１変換機構部は、第１駆動モータ部１５０から伝達された駆動力を第３フレームシャフト１３３及び第４フレームシャフト１３４をｙ軸に平行な方向に移動させるための力に変換する。ただし、第３フレームシャフト１３３及び第４フレームシャフト１３４は、第１ロッド部１４１、１４２により拘束されているので、第１フレームシャフト１３１及び第２フレームシャフト１３２に対して相対的にはｘ軸に平行なｘ１軸及びｘ２軸を中心にそれぞれ旋回する方向に移動する。第１変換機構部は、第１駆動モータ部１５０の駆動力を第３フレームシャフト１３３及び第４フレームシャフト１３４に同時に伝達するように、第１伝達ロッド１５１が配置される。第１伝達ロッド１５１は、ｘ軸方向に延びており、第１駆動モータ部１５０から伝達された回転力により回転することによって反対側の端部でリンク部材を回転させて第３フレームシャフト１３３及び第４フレームシャフト１３４をｙ軸方向に同時に移動させる。

図３のように、第１フレームシャフト１３１及び第２フレームシャフト１３２は、第２変換機構部により連結されており、第２変換機構部は、第２駆動モータ部１６０により連結されて第２駆動モータ部１６０の回転力を伝達し、第１フレームシャフト１３１及び第２フレームシャフト１３２をそれぞれの回転軸ｙ１、ｙ２を中心に回転させる。第２変換機構部は、第２駆動モータ部１６０の駆動力を第１フレームシャフト１３１及び第２フレームシャフト１３２に同時に伝達するように形成される第２伝達ロッド１６１を有する。第２伝達ロッド１６１も、ｘ軸方向に延びた形態であるが、第２駆動モータ部１６０の駆動力が伝達されてｘ軸方向に移動し、それにより第１フレームシャフト１３１及び第２フレームシャフト１３２を回転させるトルクを提供する。

このような構成による作用について、図４～図６を参照して説明する。図４は、第２駆動モータ部１６０の駆動力により第２伝達ロッド１６１がｘ軸方向に移動して第１フレームシャフト１３１及び第２フレームシャフト１３２を回転させ、その結果、第１ロータ１２１及び第２ロータ１２２をｙ１軸を中心に、第３ロータ１２３及び第４ロータ１２４をｙ２軸を中心にそれぞれ回転させたことを示す。このような複数のロータ１２１、１２２、１２３、１２４のｙ軸方向のティルトは、胴体部１１０に対する角度の変化をもたらし、ロータ１２１、１２２、１２３、１２４の推進力が胴体部１１０に対してもｙ軸方向に傾くようにする。

図５は、第１駆動モータ部１５０の駆動力により第１伝達ロッド１５１がｘ軸を中心に回転して第３フレームシャフト１３３及び第４フレームシャフト１３４をｙ軸方向に移動させ、その結果、ロータ１２１、１２２、１２３、１２４を支持する支持軸１３６、１３７、１３８、１３９をそれぞれｘ１軸及びｘ２軸方向に旋回させ、ロータ１２１、１２２、１２３、１２４もその方向に共に旋回させたことを示す。このようなロータ１２１、１２２、１２３、１２４のティルトは、胴体部１１０に対してｘ軸を中心に傾く（左右に傾く）か、ｙ軸方向に移動する（左右に移動する）ことを誘導する。

図６は、第１駆動モータ部１５０及び第２駆動モータ部１６０が両方とも作用することによってロータ１２１、１２２、１２３、１２４をそれぞれｘ軸及びｙ軸に全てティルトさせた結果を示す。このようなロータ１２１、１２２、１２３、１２４のティルトは、結果として、胴体部１１０を対角線方向に移動させるか傾くようにする。

本発明に係る多自由度を有するドローン１００は、ロータ１２１、１２２、１２３、１２４、第１駆動モータ部１５０及び第２駆動モータ部１６０を制御して複数の飛行モードを実現するための制御部を有する。制御部は、ロータ１２１、１２２、１２３、１２４の速度を制御するか、第１駆動モータ部１５０及び第２駆動モータ部１６０の動作や回転角を制御することにより、ロータ１２１、１２２、１２３、１２４のティルトを精密に調節する。胴体部１１０には、地上のリモコンと通信するための無線通信モジュールが設置され、制御部は、入力信号に応じて飛行モードを実現する。

以下、本発明に係る多自由度を有するドローン２００による飛行モードについて、図７以下を参照しで説明する。これらの図において、ロータ２２１、２２２、２２３、２２４は前述したロータ１２１、１２２、１２３、１２４に対応するものであり、これらのロータ２２１、２２２、２２３、２２４を支持又はティルトさせる要素も前述した構成と同様である。ただし、理解の便宜のために、簡単に説明する。

本発明に係る多自由度を有するドローン２００による複数の飛行モードは、４自由度モードと６自由度モードとを含む。４自由度モードと６自由度モードとは、独立して実現することができ、場合によっては同時に実現することもできる。

図７～図１３は、本発明に係るドローン２００の第１飛行モードによる姿勢を示すものである。

図７は、ホバリング状態を形成するためのロータ２２１、２２２、２２３、２２４の回転状態を概念的に示すものである。すなわち、ドローンの胴体部２１０が安定してホバリングするためには、対角線状に対向するロータ２２１、２２２、２２３、２２４の回転方向が一致しなければならず、横に並んで位置するロータは互いに逆方向である。ロータ２２１、２２２、２２３、２２４の回転速度の大きさが同じ場合、胴体部２１０は、水平を維持することができ、ロータの回転による推進力の大きさがドローン２００の重力の大きさと一致する場合、ドローン２００は、空中で停止する機動であるホバリングを安定して行うことができる。ホバリングのための本例のドローン２００のロータ２２１、２２２、２２３、２２４は、ティルトを別途行うことなくモータの速度により制御される。

図８及び図９は、ドローン２００が前後（ｘ方向）に移動するためのロータ２２１、２２２、２２３、２２４の回転速度の関係を示すものである。すなわち、ドローン２００を前後に移動させるためには、胴体部２１０の角度を前後に傾けて推力の方向を変えなければならない。そのために、前側の第３ロータ２２３及び第４ロータ２２４の回転速度を下げ、後側の第１ロータ２２１及び第２ロータ２２２の速度を上げると、ドローン２００の胴体部２１０が前方に傾き、その結果、推力が胴体部２１０の後方に向かうようになるので、ドローン２００が前方に移動する。

図１０及び図１１は、ドローンの左右（ｙ軸方向）移動及びｘ軸中心の回転を示す図である。すなわち、ドローン２００を左右に移動させるためには、胴体部２１０の角度を左右に傾けて推力の方向を変えなければならない。そのために、第２ロータ２２２及び第４ロータ２２４の速度を下げ、第１ロータ２２１及び第３ロータ２２３の回転速度を上げると、ドローン２００の胴体部２１０が右に傾き、その結果、推力が胴体部２１０の左側に向かうようになるので、ドローン２００が右側に移動する。

図１２は、ドローンのｚ軸方向移動の概念を示す図であり、ドローン２００の上下移動は、ホバリングの原理と同様である。もし、ロータ２２１、２２２、２２３、２２４の回転速度の大きさを全て一致させた状態で、ロータ２２１、２２２、２２３、２２４の回転速度を同一に上げると、推力が増加するので、胴体が水平を維持した状態で高度が上昇し（図１２の（ａ））、逆に、ロータ２２１、２２２、２２３、２２４の回転速度を同一に下げると、推力が減少するので、胴体が水平を維持した状態で高度が下降する（図１２の（ｂ））
図１３は、ドローンのｚ軸中心の回転を示す図である。ドローン２００をｚ軸方向に回転させるためには、ｚ軸方向に回転している対角線状に対向するロータの回転速度を所定の割合で下げ、ｚ軸と逆方向に回転している他のロータの回転速度を同じ割合だけ上げる。ニュートンの作用・反作用の法則により、ロータ２２１、２２２、２２３、２２４のｚ軸方向の回転ベクトルの和が０より大きいと、胴体は反作用によりｚ軸の逆方向に回転する。

図１４～図１７は、本発明に係るドローン２００の第２飛行モードによる姿勢のうち第１飛行モードと共通しない姿勢を示すものである。６自由度飛行モードにおいても、ホバリング、ｚ軸回転、上昇及び下降は前述した４自由度飛行モードと同様に実現することができる。本例においては、４自由度飛行モードで実現できない形態を中心に説明する。

図１４は、ドローンの前後移動を示す図である。すなわち、ドローン２００を前後に移動させるために、ホバリングを維持している状態で、ロータ２２１、２２２、２２３、２２４を前方に傾ける（ｙ軸を中心に回転させてティルトすることを意味する）。このとき、胴体部２１０を水平に維持するメカニズムは、ホバリングするときと同様である。

図１５は、ドローンの左右移動を示す図である。ドローン２００を左右に移動させるために、ホバリングを維持している状態で、ロータ２２１、２２２、２２３、２２４を左右方向に傾ける（ｘ軸を中心に回転させてティルトすることを意味する）。このとき、胴体部２１０を水平に維持するメカニズムは、ホバリングするときと同様である。

図１６は、胴体部のｘ軸中心の回転を示す図である。すなわち、ホバリングしている状態で胴体部２１０をｘ軸を中心に傾けるために、右側の第２ロータ２２２及び第４ロータ２２４の回転速度を上げ、左側の第１ロータ２２１及び第３ロータ２２３の回転速度を下げると、ドローン２００の胴体部２１０はｘ軸を中心に回転する。

胴体部２１０が回転すると、ロータ２２１、２２２、２２３、２２４も同じ方向に回転することにより、推力の方向が変わって胴体部２１０が移動するが、それを償うために、胴体部２１０が回転する方向と逆方向に同じ量だけロータ２２１、２２２、２２３、２２４の角度の変更を加えることができる。

図１７は、胴体部のｙ軸中心の回転を示す図である。すなわち、ホバリングを維持している状態で胴体部２１０をｙ軸方向に傾けるために、前側の第３ロータ２２３及び第４ロータ２２４の回転速度を上げ、後側の第１ロータ２２１及び第２ロータ２２２の回転速度を下げると、ドローン２００の胴体部２１０はｙ軸を中心に回転する。

図１６と同様に、胴体部２１０が回転すると、ロータ２２１、２２２、２２３、２２４も同じ方向に回転することにより、推力の方向が変わって胴体部２１０が移動するが、それを償うために、胴体部２１０が回転する方向と逆方向に同じ量だけロータ２２１、２２２、２２３、２２４の角度の変更を加えることができる。

上記のように説明された多自由度飛行モードを有するドローンは、説明された実施形態の構成と方法が限定的に適用されるものではない。上記実施形態は、様々な変形が行われるように、各実施形態の全部又は一部が選択的に組み合わせられて構成されてもよい。

Claims

バッテリが装着され、前進方向がｘ軸に設定される胴体部と、
それぞれの回転軸がｚ軸方向に整列されており、前記ｘ軸方向から見たとき、第１位置で前記胴体部を中心に対向して配置される第１ロータ及び第２ロータと、
それぞれの回転軸が前記ｚ軸方向に整列されており、前記ｘ軸方向から見たとき、前記胴体部の第２位置でｙ軸方向に対向して配置される第３ロータ及び第４ロータと、
前記第１位置で前記ｙ軸に平行なｙ１軸を中心に回転可能に前記胴体部に支持され、両端部で前記ｘ軸に平行なそれぞれの支持軸により前記第１ロータ及び前記第２ロータを支持する第１フレームシャフトと、
前記第２位置で前記ｙ軸に平行なｙ２軸を中心に回転可能に前記胴体部に支持され、両端部で前記ｘ軸に平行なそれぞれの支持軸により前記第３ロータ及び前記第４ロータを支持する第２フレームシャフトと、
複数の第１ロッド部により前記第１フレームシャフトから前記ｚ軸方向に離隔して配置され、前記ｙ軸と平行に作用する力により移動しながら前記第１ロータ及び前記第２ロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせるように形成される第３フレームシャフトと、
複数の第２ロッド部により前記第２フレームシャフトから前記ｚ軸方向に離隔して配置され、前記ｙ軸と平行に作用する力により移動しながら前記第３ロータ及び前記第４ロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせるように形成される第４フレームシャフトと、
第１変換機構部を介して連結され、前記第３フレームシャフト及び前記第４フレームシャフトに前記ｙ軸に平行な方向の力を供給する第１駆動モータ部と、
第２変換機構部を介して連結され、前記第１フレームシャフト及び前記第２フレームシャフトを前記ｙ１軸及び前記ｙ２軸を中心にそれぞれ回転させるように力を供給する第２駆動モータ部と、
前記第１ロータ、前記第２ロータ、前記第３ロータ、前記第４ロータ、前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部を制御して複数の飛行モードを実現するように形成される制御部と、を含み、
前記複数の飛行モードは、
前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部を両方とも停止させ、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御する第１飛行モードと、
前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部をそれぞれ個別に制御して作動させ、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御する第２飛行モードと、を含む、多自由度飛行モードを有するドローン。
前記第１変換機構部は、前記第１駆動モータ部の駆動力を前記第３フレームシャフト及び前記第４フレームシャフトに同時に伝達するように形成される第１伝達ロッドを含む、請求項１に記載の多自由度飛行モードを有するドローン。
前記第２変換機構部は、前記第２駆動モータ部の駆動力を前記第１フレームシャフト及び前記第２フレームシャフトに同時に伝達するように形成される第２伝達ロッドを含む、請求項１に記載の多自由度飛行モードを有するドローン。
前記第１飛行モードは、
前記胴体部を前記ｘ軸方向に傾けるか又は前記ｙ軸方向に移動させる第１－１飛行モードと、
前記胴体部を前記ｙ軸方向に傾けるか又は前記ｘ軸方向に移動させる第１－２飛行モードと、
前記胴体部を前記ｚ軸を中心に回転させる第１－３飛行モードと、
前記胴体部を前記ｚ軸方向に移動させる第１－４飛行モードとを含む、請求項１に記載の多自由度飛行モードを有するドローン。
前記第２飛行モードは、
前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせて、前記胴体部を前記ｙ軸方向に移動させる第２－１飛行モードと、
前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｙ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせて、前記胴体部を前記ｘ軸方向に移動させる第２－２飛行モードと、
前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御して、前記胴体部を前記ｚ軸を中心に回転させる第２－３飛行モードと、
前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御して、前記胴体部を前記ｚ軸方向に移動させる第２－４飛行モードと、
前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心に回転させて、前記胴体部を前記ｘ軸に対して回転させる第２－５飛行モードと、
前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｙ軸に平行なそれぞれの軸を中心に回転させて、前記胴体部を前記ｙ軸に対して回転させる第２－６飛行モードとを含む、請求項１に記載の多自由度飛行モードを有するドローン。
前記第２－５飛行モードは、
前記第１ロータ～前記第４ロータのそれぞれの回転軸を前記ｚ軸と平行にし、前記胴体部を前記ｘ軸に対して回転させて、地面に対して傾いた状態を維持する姿勢を含む、請求項５に記載の多自由度飛行モードを有するドローン。
前記第２－６飛行モードは、
前記第１ロータ～前記第４ロータのそれぞれの回転軸を前記ｚ軸と平行にし、前記胴体部を前記ｙ軸に対して回転させて、地面に対して傾いた状態を維持する姿勢を含む、請求項５に記載の多自由度飛行モードを有するドローン。
バッテリが装着され、前進方向がｘ軸に設定される胴体部と、
前記胴体部の周囲に４つ以上配置され、それぞれの回転軸がｚ軸方向に整列されて配置される複数のロータと、
前記複数のロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせるように形成されるｘ軸ティルト機構部と、
前記複数のロータをｙ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせるように形成されるｙ軸ティルト機構部と、
前記ｙ軸ティルト機構部を駆動するための第１駆動モータ部と、
前記ｘ軸ティルト機構部を駆動するための第２駆動モータ部と、
前記第１ロータ、前記第２ロータ、前記第３ロータ、前記第４ロータ、前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部を制御して複数の飛行モードを実現するように形成される制御部と、を含み、
前記複数の飛行モードは、
前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部を両方とも停止させ、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御する第１飛行モードと、
前記第１駆動モータ部及び前記第２駆動モータ部をそれぞれ個別に制御して作動させ、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御する第２飛行モードと、を含む、多自由度飛行モードを有するドローン。
前記第１飛行モードは、
前記胴体部を前記ｘ軸方向に傾けるか又は前記ｙ軸方向に移動させる第１－１飛行モードと、
前記胴体部を前記ｙ軸方向に傾けるか又は前記ｘ軸方向に移動させる第１－２飛行モードと、
前記胴体部を前記ｚ軸を中心に回転させる第１－３飛行モードと、
前記胴体部を前記ｚ軸方向に移動させる第１－４飛行モードと、を含む、請求項８に記載の多自由度飛行モードを有するドローン。
前記第２飛行モードは、
前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせて、前記胴体部を前記ｙ軸方向に移動させる第２－１飛行モードと、
前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｙ軸に平行なそれぞれの軸を中心にティルトさせて、前記胴体部を前記ｘ軸方向に移動させる第２－２飛行モードと、
前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御して、前記胴体部を前記ｚ軸を中心に回転させる第２－３飛行モードと、
前記胴体部を水平に維持し、前記第１ロータ～前記第４ロータの速度を個別に制御して、前記胴体部を前記ｚ軸方向に移動させる第２－４飛行モードと、
前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｘ軸に平行なそれぞれの軸を中心に回転させて、前記胴体部を前記ｘ軸に対して回転させる第２－５飛行モードと、
前記第１ロータ～前記第４ロータを前記ｙ軸に平行なそれぞれの軸を中心に回転させて、前記胴体部を前記ｙ軸に対して回転させる第２－６飛行モードと、を含む、請求項８に記載の多自由度飛行モードを有するドローン。
前記第２－５飛行モードは、
前記第１ロータ～前記第４ロータのそれぞれの回転軸を前記ｚ軸と平行にし、前記胴体部を前記ｘ軸に対して回転させて、地面に対して傾いた状態を維持する姿勢を含む、請求項１０に記載の多自由度飛行モードを有するドローン。
前記第２－６飛行モードは、
前記第１ロータ～前記第４ロータのそれぞれの回転軸を前記ｚ軸と平行にし、前記胴体部を前記ｙ軸に対して回転させて、地面に対して傾いた状態を維持する姿勢を含む、請求項１０に記載の多自由度飛行モードを有するドローン。